CN112582278A - 一种dcb覆铜基板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域。一种DCB覆铜基板制备方法，包括如下步骤：步骤一，真空扩散焊：将清洗后的金属薄片以及铜片叠放在一起，真空条件下进行扩散焊，形成金属薄片与铜片焊接相连的组合体；步骤二，组合体表面清洗；步骤三，干法氧化：在氮气保护的弱氧气氛下对组合体进行表面氧化；步骤四，烧结：组合体预弯，预弯后的组合体扣在瓷片上进行氧化烧结。保证金属面的质量，从而显著减少烧结大气泡。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体是覆铜基板的制备方法。
背景技术
陶瓷基板具有热导率高、耐热性好、热膨胀系数低、机械强度高、绝缘性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，在电子器件封装中得到广泛应用，根据制备原理和工艺的不同，目前主流产品可以分为厚膜印刷陶瓷基板(Thick Printing Ceramic Substrate,TPC)、直接键合铜陶瓷基板(Direct Bonded Copper Ceramic Substrate,DCB或称DBC)、活性金属焊接陶瓷基板(Active Metal Brazing Ceramic Substrate,AMB)等。小型化的高压大功率模块是半导体器件重要发展方向之一，在半导体器件设计中，随着尺寸减小，芯片功率密度急剧增加，对模块散热封装可靠性提出了新的要求。
目前，AMB及DCB覆铜板是功率模块最常用的两种基板，DCB覆铜板一般应用于对抗冷热循环性能要求不高的领域，而AMB覆铜板应用于对冷热循环可靠性要求高的领域，如IGBT大功率模块，但DCB覆铜板也有其显著的优势，首先价格便宜，其次工艺过程成熟且相对简单，因而如果能提高DCB抗冷热循环性能，不仅能够提高半导体模块的使用寿命，还可以拓宽DCB覆铜板的应用领域。
现有技术中，在DCB覆铜板结合层中引入软金属层是提高DCB覆铜板冷热循环可靠性的有效方式，引入软金属层可行的方法有：
1)瓷片表面镀--磁控溅射；
采用瓷片表面镀方式问题在于，成本高、质量控制难度大并且难以工业量产，常用的磁控溅射镀铜时选用Cu-Mn、Cu-Ti、Cu-Mn-Ti靶材，这可能会造成为覆铜板铜蚀刻大量出现蚀刻不尽，产品质量不合格；
2)瓷片表面印刷浆料；
采用瓷片表面印刷浆料的方式问题在于，同样不可能使用纯铜的浆料，其中所含其他成分会对后道铜蚀刻工艺产生明显不利的影响，此外印刷浆料厚度一般较厚(＞10um)，会产生较大的界面热阻，对性能不利。
3)直接使用超薄的软金属层。
这一种方法是一种实用、简便的方法，但超薄的铜箔(超薄软金属层的一种)在氧化时难以保证即氧化均匀，表面又不产生明显的褶皱，而氧化不均或者褶皱都会在烧结时使覆铜板界面层产生较多大气泡，从而造成严重的产品质量问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种DCB覆铜基板的制备方法，以解决以上至少一个技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种DCB覆铜基板制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，真空扩散焊：将清洗后的金属薄片以及铜片叠放在一起，真空条件下进行扩散焊，形成金属薄片与铜片焊接相连的组合体；
步骤二，组合体表面清洗；
步骤三，干法氧化：在氮气保护的弱氧气氛下对组合体进行表面氧化；
步骤四，烧结：组合体预弯，预弯后的组合体扣在瓷片上进行氧化烧结。
在烧结前需要使用预弯机预弯组合体，减轻表面起皱现象。
进一步优选的，所述金属薄片优选为铜箔，厚度优选为2-20um。
进一步优选的，步骤一中，真空扩散焊的温度为600℃-800℃，保温时间为2min-20min，真空度为0.01Pa-0.1Pa，升温速率为10℃/min-40℃/min，降温速率为10℃/min-40℃/min，通过机械加压方式在金属薄片与铜片之间提供2-10MPa压力。
进一步优选的，金属薄片与铜片叠合构成一组待焊接组，两组待焊接组之间使用陶瓷板隔开。
进一步优选的，步骤二中，依次进行除油、酸性微蚀、超声水洗、溢流水洗、吸水滚轮以及热风烘干；热风烘干的温度为80℃-100℃。
进一步优选的，步骤三中，所述干法氧化的条件为氧化温度500℃-900℃，氧化时间10min-60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm-3000ppm。
进一步优选的，步骤四中，烧结为双面烧结，第一面烧结温度为1065℃-1075℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm；第二面烧结温度设定为1070℃-1090℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm。
进一步优选的，金属薄片为铜箔，铜箔的厚度为18um；
步骤一中，真空扩散焊的温度为700℃，保温时间为15min，真空度为0.05Pa，升温速率为20℃/min，降温速率为20℃/min，通过机械加压方式在铜箔与铜片之间提供5MPa压力。
进一步优选的，金属薄片为铜箔，铜箔的厚度优选为10um；
步骤一中，真空扩散焊温度优选为为650℃，保温时间优选为为10min，通过机械加压方式在铜箔与铜片之间提供压力值优选为2MPa。
进一步优选的，步骤三中氧化温度优选为700℃-900℃。
步骤四中，使用预弯机预弯铜箔和铜片的组合体。预弯程度为组合体高度变化率为0.5％-5％。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的一种DCB覆铜基板制备方法，1)提供了一种新的在DCB覆铜板结合层中引入软金属层的方法；2)使用硬质陶瓷板隔开真空烧结时每组铜箔与铜片，机械加压以及在干法氧化后预弯等方法能够消除其他工艺对金属表面产生的不利影响，保证金属面的质量，从而显著减少烧结大气泡。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明制备的覆铜基板与现有技术的覆铜基板的SAM扫描图；
图2(a)是本发明制备的覆铜基板的SAM扫描图；
图2(b)是现有技术的覆铜基板的SAM扫描图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
一种DCB覆铜基板制备方法，包括如下步骤：
步骤一，真空扩散焊：将清洗后的金属薄片、铜片叠放在一起，真空条件下进行扩散焊；
步骤二，组合体表面清洗：对金属薄片、铜片的组合体进行表面清洗；
步骤三，干法氧化：在氮气保护的弱氧气氛下对组合体进行表面氧化；
步骤四，烧结：组合体预弯，预弯后的组合体扣在瓷片上进行氧化烧结。
所述金属薄片优选为铜箔，厚度优选为2-20um；
步骤一中，真空扩散焊的温度为600℃-800℃，保温时间为2min-20min，真空度为0.01Pa-0.1Pa，升温速率为10℃/min-40℃/min，降温速率为10℃/min-40℃/min，需要使用高导热陶瓷板将每组金属薄片与铜片隔开，通过机械加压方式在金属薄片与铜片之间提供2-10MPa压力。
金属薄片优选为铜箔。
步骤二中，所述表面清洗是指经除油、酸性微蚀、超声水洗、溢流水洗、吸水滚轮以及热风烘干，热风烘干的温度为80℃-100℃。
步骤三中，所述干法氧化的条件为氧化温度500℃-900℃，氧化时间10min-60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm-3000ppm。
步骤四中，所述烧结，在烧结前需要使用预弯机预弯铜箔和铜片的组合体，减轻表面起皱现象，烧结为双面烧结，第一面烧结温度为1065℃-1075℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm；第二面烧结温度设定为1070℃-1090℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm。
步骤四中，使用预弯机预弯金属薄片和铜片的组合体。预弯程度为组合体高度变化率0.5％-5％。
具体实施例1，DCB覆铜板具体制备优选方法，包括如下步骤：
步骤一，真空扩散焊：将清洗后的铜箔、铜片叠放在一起，真空条件下进行扩散焊，铜箔厚度为18um，真空扩散焊的温度为700℃，保温时间为15min，真空度为0.05Pa，升温速率为20℃/min，降温速率为20℃/min，需要使用高导热陶瓷板将每组铜箔与铜片隔开，通过机械加压方式在铜箔与铜片之间提供5MPa压力；
步骤二，组合体表面清洗：对铜箔、铜片的组合体进行表面清洗，包括除油、酸性微蚀、超声水洗、溢流水洗、吸水滚轮以及热风烘干，热风烘干的温度为80℃-100℃。
步骤三，干法氧化：在氮气保护的弱氧气氛下对组合体进行表面氧化，氧化温度500℃-900℃，氧化时间10min-60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm-3000ppm；
步骤四，烧结：组合体预弯，预弯后的组合体扣在瓷片上进行氧化烧结，在烧结前需要使用预弯机预弯铜箔和铜片的组合体，减轻表面起皱现象，烧结为双面烧结，第一面烧结温度为1065℃-1075℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm；第二面烧结温度设定为1070℃-1090℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm。
具体实施例2，DCB覆铜板具体制备优选方法，包括如下步骤：
步骤一，真空扩散焊：将清洗后的铜箔、铜片叠放在一起，真空条件下进行扩散焊，金属薄片厚度为优选为10um，真空扩散焊温度优选为为650℃，保温时间优选为为10min，真空度为0.05Pa，升温速率为20℃/min，降温速率为20℃/min，需要使用高导热陶瓷板将每组铜箔与铜片隔开，通过机械加压方式在铜箔与铜片之间提供2MPa压力；
步骤二，组合体表面清洗：对铜箔、铜片的组合体进行表面清洗，包括除油、酸性微蚀、超声水洗、溢流水洗、吸水滚轮以及热风烘干，热风烘干的温度为700℃-900℃。
步骤三，干法氧化：在氮气保护的弱氧气氛下对组合体进行表面氧化，氧化温度500℃-900℃，氧化时间10min-60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm-3000ppm；
步骤四，烧结：组合体预弯，预弯后的组合体扣在瓷片上进行氧化烧结，在烧结前需要使用预弯机预弯铜箔和铜片的组合体，减轻表面起皱现象，烧结为双面烧结，第一面烧结温度为1065℃-1075℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm；第二面烧结温度设定为1070℃-1090℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm。
有益效果：
1)显著减少了大气泡
采用本发明所述方法制备覆铜板的SAM结果如图2(a)所示，直接干法氧化铜箔插入铜瓷间烧结SAM结果如图2(b)所示，结果表明本发明所述方法相对于现有技术而言能显著减少大气泡，制出了本发明所需的极其细密的小气泡，但发明所述工艺还可以进一步优化以制出完全无大气泡的覆铜板。
2)抗剥离强度大
本发明与现有技术相比，其剥离强度都在5N/mm以上(0.3mm覆铜板)，能够满足产品质量要求。
3)冷热循环稳定性强。
在热循环条件下(-55℃-150℃，高低温分别持续15分钟，转换时间小于30s)，样品不做其他热应力释放改进，本发明覆铜板小枚能耐受50次以上冷热循环，常规DCB覆铜板能耐受40-45次冷热循环，本发明能够提高覆铜板冷热循环可靠性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种DCB覆铜基板制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，真空扩散焊：将清洗后的金属薄片以及铜片叠放在一起，真空条件下进行扩散焊，形成金属薄片与铜片焊接相连的组合体；
步骤二，组合体表面清洗；
步骤三，干法氧化：在氮气保护的弱氧气氛下对组合体进行表面氧化；
步骤四，烧结：组合体预弯，预弯后的组合体扣在瓷片上进行氧化烧结。
2.根据权利要求1所述的一种DCB覆铜基板的制备方法，其特征在于：所述金属薄片为铜箔，厚度为2-20um。
3.根据权利要求1所述的一种DCB覆铜基板的制备方法，其特征在于：步骤一中，真空扩散焊的温度为600℃-800℃，保温时间为2min-20min，真空度为0.01Pa-0.1Pa，升温速率为10℃/min-40℃/min，降温速率为10℃/min-40℃/min，通过机械加压方式在铜箔与铜片之间提供2-10MPa压力。
4.根据权利要求1所述的一种DCB覆铜基板的制备方法，其特征在于：步骤一中，金属薄片与铜片叠合构成一组待焊接组，两组待焊接组之间使用陶瓷板隔开。
5.根据权利要求1所述的一种DCB覆铜基板的制备方法，其特征在于：步骤二中，依次进行除油、酸性微蚀、超声水洗、溢流水洗、吸水滚轮以及热风烘干；热风烘干的温度为80℃-100℃。
6.根据权利要求1所述的一种DCB覆铜基板的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述干法氧化的条件为氧化温度500℃-900℃，氧化时间10min-60min，氧化气氛为氮气保护下的氧化气氛，氧含量为500ppm-3000ppm。
7.根据权利要求1所述的一种DCB覆铜基板的制备方法，其特征在于：步骤四中，烧结为双面烧结，第一面烧结温度为1065℃-1075℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm；第二面烧结温度设定为1070℃-1090℃，烧结时间为20min-35min，气氛为氮气保护的弱氧气氛，氧含量为5ppm-200ppm。
8.根据权利要求1所述的一种DCB覆铜基板的制备方法，其特征在于：金属薄片为铜箔，铜箔的厚度为18um；
步骤一中，真空扩散焊的温度为700℃，保温时间为15min，真空度为0.05Pa，升温速率为20℃/min，降温速率为20℃/min，通过机械加压方式在铜箔与铜片之间提供5MPa压力。
9.根据权利要求1所述的一种DCB覆铜基板的制备方法，其特征在于：金属薄片为铜箔，铜箔的厚度为10um；
步骤一中，真空扩散焊温度为650℃，保温时间为10min，通过机械加压方式在铜箔与铜片之间提供压力值为2MPa。
10.根据权利要求1所述的一种DCB覆铜基板的制备方法，其特征在于：步骤三中氧化温度为700℃-900℃。
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